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量子光学小孩新虫 (初入文坛)
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求偶极辐射已有1人参与
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问题如下： 1.有一分子，其为A-B----A'型，三个点电荷为三角形平面三顶点，现在AB,A'B为大小不变的偶极子，在平面内左右摆动，产生一个偶极辐射，求这样形式的偶极辐射E的表达式 发自小木虫Android客户端 |
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【答案】应助回帖
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要推导该分子偶极辐射电场E的表达式，我们可基于经典电动力学中偶极辐射的基本理论，结合题目中分子的结构与偶极子运动特点来逐步分析，以下是详细推导过程： 一、基本前提与模型简化 1. 偶极辐射基础：经典电动力学里，电偶极辐射是加速带电粒子（或等效电偶极子）产生电磁辐射的典型形式。对于时变电偶极矩p(t)，其辐射场可通过麦克斯韦方程组求解得到远场近似下的表达式 。 2. 分子模型与偶极矩：题目中分子可视为由A−B−A′构成，AB、A′B为大小不变的偶极子，在平面内左右摆动。设单个偶极子的电偶极矩大小为p0（方向随摆动变化 ），整个分子的总电偶极矩p(t)需根据几何关系与运动情况确定。由于是三角形平面三顶点，且偶极子在平面内摆动，可建立平面直角坐标系，设B点在坐标原点，方便分析偶极子运动导致的偶极矩变化。 二、电偶极矩的时变特性 1. 偶极子运动描述：假设偶极子AB、A′B绕B点做简谐摆动（因 “左右摆动” 可近似为简谐运动，便于数学处理 ），角频率为ω。单个偶极子的电偶极矩可表示为pAB(t)=p0cos(ωt)ex（假设沿x轴方向摆动，ex为x方向单位矢量 ），同理pA′B(t)需根据其与AB的几何位置关系确定。若三角形为对称结构（假设AB=A′B，∠ABA′=θ ），则总电偶极矩p(t)=pAB(t)+pA′B(t)，通过矢量合成可得p(t)的时变表达式 。为简化，先假设是单个等效偶极子（若对称摆动，可等效为一个沿某方向的时变偶极矩 ），即p(t)=p0cos(ωt)en（en为等效偶极矩方向单位矢量 ），后续可拓展到复杂结构。 三、远场辐射电场的推导（基于电偶极辐射理论 ） 1. 推迟势与电偶极近似： o 根据麦克斯韦方程组，时变电荷电流分布会产生电磁场，可通过推迟势计算。对于电偶极辐射，满足电偶极近似条件（辐射源线度l≪λ，λ为辐射波长 ），此时矢势A(r,t)的表达式为： A(r,t)=4πrμ0p˙(t−cr) 其中μ0是真空磁导率，c是真空中光速，r是观测点到辐射源的距离，p˙是电偶极矩对时间的一阶导数，t−cr体现推迟效应（电磁作用以光速传播 ）。 o 已知p(t)=p0cos(ωt)en，则p˙(t)=−ωp0sin(ωt)en，代入推迟势公式，考虑远场近似（r≫λ，此时可对r1等因子做近似处理，保留主导项 ），A(r,t)≈4πrμ0ωp0sin(ω(t−cr))en 。 2. 电场与矢势的关系： o 在电磁学中，电场强度E与矢势A、标势φ的关系为E=−∇φ−∂t∂A。在远场条件下，标势φ的影响可忽略（远场以辐射场为主，似稳场效应弱 ），且∇算子作用可近似为∇≈rr∂r∂（球坐标系下，观测点远离源，角度变化主导 ）。 o 对A求时间偏导：∂t∂A=4πrμ0ω2p0cos(ω(t−cr))en 。 o 再考虑远场中电场的横向性（E垂直于传播方向er ，er是从源指向观测点的单位矢量 ），需将en分解为平行于er和垂直于er的分量，辐射场中起主导作用的是垂直分量。假设en与er夹角为θ（即偶极矩方向与观测方向的夹角 ），则垂直分量为en⊥=en−(en⋅er)er 。 o 综合可得远场辐射电场E的表达式： E(r,t)=4πcrμ0ω2p0sinθcos(ω(t−cr))eθ 其中eθ是球坐标系下垂直于er的横向单位矢量（与en⊥对应 ），该式体现了电偶极辐射电场的角分布（与sinθ相关 ）、时间依赖（简谐振荡 ）及与距离r的关系（反比于r ） 。 四、针对题目分子结构的修正与拓展 1. 多偶极子合成：回到题目中分子，若AB、A′B并非简单等效为单个偶极子，需考虑它们的矢量叠加。设pAB(t)和pA′B(t)的表达式，通过矢量相加得到总偶极矩p(t)=pAB(t)+pA′B(t)，再代入上述推导过程。例如，若AB偶极子沿x方向摆动，A′B偶极子因三角形结构沿与x成α角方向摆动，则总偶极矩的各分量需分别计算，再求导、代入推迟势等步骤，最终得到的E表达式会包含多个偶极子贡献的叠加，体现更复杂的角分布和振幅特性 。 2. 非简谐摆动情况：若题目中 “左右摆动” 并非严格简谐运动，而是任意周期性运动，可通过傅里叶级数展开为多个简谐分量的叠加，每个简谐分量对应一个角频率ωn的电偶极辐射，总辐射电场是各分量电场的线性叠加，即E(r,t)=∑nEn(r,t)，其中En形式同上述简谐情况，只是角频率为ωn，振幅由傅里叶系数决定 。 五、总结与关键要点 最终，针对题目中分子偶极辐射电场E（标量形式可取电场强度的大小 ）的表达式，在简化模型（等效单个简谐偶极子、远场近似、电偶极近似 ）下为： E(r,θ,t)=4πcrμ0ω2p0sinθcos(ω(t−cr)) 实际应用中，需根据分子具体结构（如三角形顶点的位置关系、偶极子摆动方向与幅度 ）修正总偶极矩p(t)的表达式，进而得到准确的辐射电场。关键要点包括：电偶极矩的时变分析、推迟势的应用、远场近似条件、电场与矢势的关系及多偶极子的矢量合成等，这些环节共同构建了从分子偶极子运动到辐射电场的推导逻辑 。 以上推导基于经典电动力学框架，若考虑量子效应（如分子处于量子态下的偶极跃迁辐射 ），需结合量子电动力学进行修正，但题目场景更适配经典理论分析，故以此为主线推导。 |
2楼2025-07-06 16:18:25